CN113489400A - 一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***，涉及舵机模拟的技术领域，包括：模糊积分滑膜控制器、第一比例积分控制器、SVPWM控制器、逆变器、永磁同步电机、位置检测器、扰动观测器、第二比例积分控制器；位置检测器用于获取永磁同步电机的转子位置信息以获取转子的角度信息θ以及转子角速度ω；模糊积分滑膜控制器用于获取角度参量，永磁同步电机的转子角速度ω反馈至模糊积分滑膜控制器；第一比例积分控制器与所第一比例积分控制器经反Clark变换与SVPWM控制器相连，SVPWM控制器与逆变器输入侧相连；逆变器输出侧与永磁同步电机输出转子三相电流并将转子三相电流经Clark变换以及Park变换。通过本发明可以模拟飞机在各种飞行状态下的加载情况。

Description

一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***及方法
技术领域
本发明涉及舵机控制的技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***及方法。
背景技术
机舵机电动负载模拟器作为飞行控制地面仿真设备，可以模拟舵机在各种飞行状态下的加载情况。相比于传统的自毁式实物实验，该设备极大程度地改进了飞机舵机的测试方式，具有良好的可控性、无破坏性、操作简单方便等优点。其中，伺服电机是负载模拟器的核心元件，通过刚性连接装置缓冲弹簧与舵机相连。在现有的加载***中，PMSM凭借其结构简单、转动惯量小、动态响应速度快、转矩跟踪能力强等优点被广泛应用。尽管PMSM在保证加载连续性的同时改进了舵机的测试方式，然而其本身是一个易受参数时变等复杂因素影响的非线性***，因此需要选用具有良好控制特性的控制方法，深入研究准确、快速、抗干扰的改进永磁同步电机算法具有重要意义，以满足负载模拟器的各项技术指标要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***及方法，以深入研究永磁同步电机的算法以及抗干扰特性，模拟飞机在各种飞行状态下的加载情况。
第一方面，本发明实施例提供了一种磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***，包括：
模糊积分滑膜控制器、第一比例积分控制器、SVPWM控制器、逆变器、永磁同步电机、位置检测器、扰动观测器、第二比例积分控制器；
所述位置检测器用于获取所述永磁同步电机的转子位置信息以获取转子的角度信息θ以及转子角速度ω
所述模糊积分滑膜控制器用于获取角度参量，所述永磁同步电机的转子角速度ω反馈至所述模糊积分滑膜控制器；
所述第一比例积分控制器与所第一比例积分控制器经反Clark变换与所述SVPWM控制器相连，所述SVPWM控制器与所述逆变器输入侧相连；
所述逆变器输出侧与所述永磁同步电机输出转子三相电流并将所述转子三相电流经Clark变换以及Park变换。
另一方面，本发给提供了一种采用权要求1所述的永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***的永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制方法，
所述模糊积分滑膜控制器输入侧获取所述永磁同步电机的转子角速度参量以及永磁同步电机的转子角速度ω，以使所述模糊积分滑膜控制器输出侧获取转子电流参量
Figure BDA0003082290650000021
所述转子三相电流i负反馈至所述永磁同步电机的转子电流参量
Figure BDA0003082290650000022
利用所述第一比例积分控制器获取纵轴电压uq；
获取所述永磁同步电机输出转子三相电流经Park变换后的转子电流id并所述第二比例积分控制器相连与获取横轴电压ud，并与所述纵轴电压uq以使所述SVPWM对所述逆变器的输出电压进行控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴电压ud以及所述纵轴电压uq分别为：
Figure BDA0003082290650000031
ωm、ωe分别为机械角速度和电角速度；
Ke—反电动势系数；
ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别表示d、q轴电压、电流和电感；
ψf—永磁体磁链；
R为定子电阻。
4.根据权利要2所述的方法，其特征在于，
Figure BDA0003082290650000032
ε、y大于0；
Figure BDA0003082290650000033
δ为大于0的实数；
TL—永磁同步电机负载转矩；
J、B—永磁同步电机的转动惯量和阻尼系数；
pn—永磁同步电机的极对数；
s—积分滑面，且s＝cx2+x1；
Figure BDA0003082290650000034
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供了一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***，涉及舵机模拟的技术领域，包括：模糊积分滑膜控制器、第一比例积分控制器、SVPWM控制器、逆变器、永磁同步电机、位置检测器、扰动观测器、第二比例积分控制器；位置检测器用于获取永磁同步电机的转子位置信息以获取转子的角度信息θ以及转子角速度ω；模糊积分滑膜控制器用于获取角度参量，永磁同步电机的转子角速度ω反馈至模糊积分滑膜控制器；第一比例积分控制器与所第一比例积分控制器经反Clark变换与SVPWM控制器相连，SVPWM控制器与逆变器输入侧相连；逆变器输出侧与永磁同步电机输出转子三相电流并将转子三相电流经Clark变换以及Park变换。通过本发明可以深入研究永磁同步电机的算法以及抗干扰特性，模拟飞机在各种飞行状态下的加载情况。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的PMSM调速控制器控制框图；
图2本发明实施例提供的模糊积分滑模控制原理图；
图3本发明实施例提供的扰动观测器结构框图；
图4本发明实施例提供的扰动观测器结构等效图；
图5本发明实施例提供的PMSM转速变化对比；
图6本发明实施例提供的调速控制器控制PMSM电磁转矩；
图7本发明实施例提供的传统PI控制下PMSM电磁转矩；
图8本发明实施例提供的控制力矩跟踪仿真；
图9本发明实施例提供的表多余力矩仿真；
图10本发明实施例提供的力矩跟踪整体仿真图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，PMSM凭借其结构简单、转动惯量小、动态响应速度快、转矩跟踪能力强等优点被广泛应用。尽管PMSM在保证加载连续性的同时改进了舵机的测试方式，然而其本身是一个易受参数时变等复杂因素影响的非线性***，，基于此，本发明实施例提供的一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***及方法，可以深入研究永磁同步电机的算法以及抗干扰特性，模拟飞机在各种飞行状态下的加载情况。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***及方法进行详细介绍，
实施例一：
本发明实施例一提供了一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***，包括：
模糊积分滑膜控制器、第一比例积分控制器、SVPWM控制器、逆变器、永磁同步电机、位置检测器、扰动观测器、第二比例积分控制器；
所述位置检测器用于获取所述永磁同步电机的转子位置信息以获取转子的角度信息θ以及转子角速度ω
所述模糊积分滑膜控制器用于获取角度参量，所述永磁同步电机的转子角速度ω反馈至所述模糊积分滑膜控制器；
所述第一比例积分控制器与所第一比例积分控制器经反Clark变换与所述SVPWM控制器相连，所述SVPWM控制器与所述逆变器输入侧相连；
所述逆变器输出侧与所述永磁同步电机输出转子三相电流并将所述转子三相电流经Clark变换以及Park变换。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制方法，
所述模糊积分滑膜控制器输入侧获取所述永磁同步电机的转子角速度参量以及永磁同步电机的转子角速度ω，以使所述模糊积分滑膜控制器输出侧获取转子电流参量
Figure BDA0003082290650000061
所述转子三相电流i负反馈至所述永磁同步电机的转子电流参量
Figure BDA0003082290650000062
利用所述第一比例积分控制器获取纵轴电压uq；
获取所述永磁同步电机输出转子三相电流经Park变换后的转子电流id并所述第二比例积分控制器相连与获取横轴电压ud，并与所述纵轴电压uq以使所述SVPWM对所述逆变器的输出电压进行控制。
需要说明的是，本发明提供的实施例中，采用id＝0的矢量控制方法
优选的，所述轴电压ud以及所述纵轴电压uq分别为：
Figure BDA0003082290650000071
ωm、ωe分别为机械角速度和电角速度；
Ke—反电动势系数；
ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别表示d、q轴电压、电流和电感；
ψf—永磁体磁链；
R为定子电阻。
Clark变换、Park变换的表达式如下式所示:
Figure BDA0003082290650000072
Figure BDA0003082290650000075
优选的，利用如下公式获取电流参量：
Figure BDA0003082290650000073
ε、y大于0；
Figure BDA0003082290650000074
δ为大于0的实数；
TL—永磁同步电机负载转矩；
J、B—永磁同步电机的转动惯量和阻尼系数；
pn—永磁同步电机的极对数；
s—积分滑面，且s＝cx2+x1；
Figure BDA0003082290650000081
永磁同步电机的运动方程、转矩方程如公式(4)、(5)所示。
Figure BDA0003082290650000082
Figure BDA0003082290650000083
式中：pn为电机的极对数；Te、TL为电机电磁转矩和负载转矩；J、B为电机的转动惯量和阻尼系数；
永磁同步电机采用表贴式转子结构，有Ld＝Lq＝Ls。此时，转矩方程和状态方程可改写为
Figure BDA0003082290650000084
Figure BDA0003082290650000085
矢量控制包含控制永磁同步电机的电流环和速度环，其中模糊积分滑模控制改进电机的速度环，设PMSM的状态变量为
Figure BDA0003082290650000086
式中，ωref、ωm分别为电机的给定转速和实际转速；
对式(3)求导，则
Figure BDA0003082290650000091
选择积分滑模面
s＝cx2+x1 (5)
对其求导
Figure BDA0003082290650000092
给定积分初值为
Figure BDA0003082290650000093
式中
Figure BDA0003082290650000094
选择指数趋近律
Figure BDA0003082290650000095
式中,ε、y大于0。符号函数sgn(s)具有不连续性,同时，***的运动速度在接近滑模面时具有一定的惯性，以一定的速度穿越滑模面，从而导致***抖振。本文采用sat(s)代替sgn(s)来减少抖振的程度，表示为
Figure BDA0003082290650000096
式中，δ为大于0的实数。
可得电机的q轴参考电流为
Figure BDA0003082290650000097
为提高积分滑模控制器的鲁棒性，模糊控制完成积分滑模控制器的参数寻优。输入选取转速误差和其变化率，论域为[-3，3]，输出为趋近函数参数ε和y，论域范围为[0.8，1]，将输入和输出的论域分为7个集合，
其规则表如表1、2所示。模糊滑模控制器原理图如图3所示；
由于不可测扰动的存在会降低PMSM的速率平稳性，进而影响其跟踪精度。因此，采用扰动控制器对扰动力矩进行观测并有效补偿。扰动力矩是由扰动观测器估计的***模型与实际模型之间的差异造成的。其结构框图如图4所示。其中，G(s)为被控***的模型，即永磁同步电机。Gn(s)为名义模型，
Figure BDA0003082290650000101
为Gn(s)的逆，Q(s)为滤波器，可以提高***鲁棒性和稳定性。
在此，d为***受到的等效扰动，
Figure BDA0003082290650000102
为估计扰动，ζ为高频噪声。
表1
Figure BDA0003082290650000103
表2
Figure BDA0003082290650000104
Figure BDA0003082290650000111
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***，其特征在于，包括：
模糊积分滑膜控制器、第一比例积分控制器、SVPWM控制器、逆变器、永磁同步电机、位置检测器、扰动观测器、第二比例积分控制器；
所述位置检测器用于获取所述永磁同步电机的转子位置信息以获取转子的角度信息θ以及转子角速度ω
所述模糊积分滑膜控制器用于获取角度参量，所述永磁同步电机的转子角速度ω反馈至所述模糊积分滑膜控制器；
所述第一比例积分控制器与所第一比例积分控制器经反Clark变换与所述SVPWM控制器相连，所述SVPWM控制器与所述逆变器输入侧相连；
所述逆变器输出侧与所述永磁同步电机输出转子三相电流并将所述转子三相电流经Clark变换以及Park变换。
2.一种采用权利要求1所述的永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制***的永磁同步电机在飞机舵机电动负载控制方法，其特征在于，
所述模糊积分滑膜控制器输入侧获取所述永磁同步电机的转子角速度参量以及永磁同步电机的转子角速度ω，以使所述模糊积分滑膜控制器输出侧获取转子电流参量
Figure FDA0003082290640000011
所述转子三相电流i负反馈至所述永磁同步电机的转子电流参量
Figure FDA0003082290640000012
利用所述第一比例积分控制器获取纵轴电压uq；
获取所述永磁同步电机输出转子三相电流经Park变换后的转子电流id并所述第二比例积分控制器相连与获取横轴电压ud，并与所述纵轴电压uq以使所述SVPWM对所述逆变器的输出电压进行控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴电压ud以及所述纵轴电压uq分别为：
Figure FDA0003082290640000021
ωm、ωe分别为机械角速度和电角速度；
Ke—反电动势系数；
ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别表示d、q轴电压、电流和电感；
ψf—永磁体磁链；
R为定子电阻。
4.根据权利要2所述的方法，其特征在于，
Figure FDA0003082290640000022
ε、y大于0；
Figure FDA0003082290640000023
δ为大于0的实数；
TL—永磁同步电机负载转矩；
J、B—永磁同步电机的转动惯量和阻尼系数；
pn—永磁同步电机的极对数；
s—积分滑面，且s＝cx2+x1；
Figure FDA0003082290640000024
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